DE4009258A1

DE4009258A1 - Verfahren und elektronische regelschaltung zur regelung eines buerstenlosen gleichstrommotors

Info

Publication number: DE4009258A1
Application number: DE4009258A
Authority: DE
Inventors: Marcos Guilherme Schwarz
Original assignee: Empresa Brasileira de Compressores SA
Current assignee: Whirlpool SA
Priority date: 1989-03-27
Filing date: 1990-03-22
Publication date: 1990-10-04
Anticipated expiration: 2010-03-23
Also published as: GB2230908B; IT9019522A0; IT1240670B; JPH03173395A; BR8901539A; DE4009258C2; GB2230908A; JP2763374B2; US5019756A; IT9019522A1; FR2644949A1; GB9006810D0; FR2644949B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der Ständerwicklungen und einen Permanentmagnetläufer aufweist und bei dem die Läuferposition mittels induzierter Spannungen detektierbar ist. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine elektronische Regelschaltung für einen solchen bürstenlosen Gleichstrommotor, mit einem Wechselrichter, der einen Strom in die Ständerwicklungen einspeist, mit einer Sensorschaltung zum Detektieren der relativen Position zwischen Ständer und Läufer mittels induzierter Spannungen, und mit einer Steuerschaltung, die Daten über den vom Wechselrichter in die Ständerwicklungen eingespeisten Strom, Daten über die Läuferposition sowie Daten über die Bezugsdrehzahl bearbeitet und Steuersignale an Schaltelemente des Wechselrichters abgibt.

Bürstenlose Gleichstrommotore (im folgenden kurz: "Motore" oder "Elektromotore" genannt) sind insbesondere für solche Anwendungen von Interesse, die eine große Verläßlichkeit und einen hohen Wirkungsgrad erfordern, so etwa bei Haushaltsgeräten, Pumpen und Ventilatoren.

Diese Motoren bestehen im wesentlichen aus einem Ständer mit Wicklungen, einem Permanentmagnetläufer, einem Wechselrichter, der Strom in die Ständerwicklungen einspeist, einem Läuferpositionssensor, der Daten darüber abgibt, zu welchem Zeitpunkt und mit welcher Periode jeder Wicklungssatz mit Strom gespeist werden soll, und aus einer zentralen Steuereinheit, welche die Daten über den Strom, die Drehzahl und die Position des Läufers beobachtet und Steuerimpulse an den Wechselrichter abgibt.

In einigen Anwendungsgebieten, für die Elektromotore mit insbesondere einfachen konstruktiven und robustem Aufbau gefragt sind, bei denen jedoch keine Läuferpositionssensoren der Hallschen oder optischen Art o. ä. zum Einsatz kommen, wird die Läuferposition durch Überwachung der in den Motorwicklungen induzierten Spannungen detektiert. Diese Motortypen erfordern eine besondere Anlaßtechnik, weil in statischer Lage bei stillstehendem Läufer keine Spannung in den Wicklungen induziert werden und somit die Läuferposition nicht bekannt ist.

Zum Anlassen derartiger Elektromotoren sind verschiedene Techniken bekannt. Eine dieser Techniken besteht darin, die Läuferposition bei Läuferstillstand mittels eines zweiten Sensors zu detektieren, der nur zum Anlassen des Motors eingesetzt wird. Auf diesem Weg ist eine Entscheidung darüber möglich, in welche Phasen Strom eingespeist werden muß, damit zum Anlassen des Elektromotors ein Drehmoment in der gewünschten Drehrichtung erzeugt wird. Der Nachteil dieser bekannten Lösung liegt im Erfordernis eines zusätzlichen Sensors, der nebst den Anschlüssen an die Steuerschaltung im Inneren des Motors untergebracht werden muß, wodurch der bauliche Aufwand und die Kosten ansteigen.

Eine weitere bekannte Technik zum Anlassen eines Elektromotors ist in der japanischen Patentveröffentlichung Kokei Nr. 55-5035 A beschrieben und besteht darin, den Wechselrichter unter Ignorierung der zum Detektieren der Läuferposition verwendeten induzierten Spannungen zu veranlassen, den Ständerwicklungen in der richtigen Reihenfolge Strom einzuspeisen und dabei stufenweise die Frequenz zu erhöhen, worauf der Läufer bis zu einer bestimmten Drehzahl beschleunigt wird, bei der die in den Ständerwicklungen induzierten Spannungen jedenfalls ausreichen, die Läuferposition mit ihrer Hilfe zu detektieren. In dieser ersten Stufe arbeitet der Motor als ein Synchronmotor.

Wenn dieser Zustand erreicht ist, überwacht die Regelschaltung die durch den Positionssensor mittels der in den Ständerwicklungen induzierten Spannungen ermittelten Daten bzw. Informationen, die Beschleunigung wird fortgesetzt und der Elektromotor geht in seinen normalen selbstgeregelten Betrieb über. Ein Nachteil dieser Technik liegt darin, daß je nach der an der Welle des Elektromotors angeschlossenen Last während der Anlaßphase im Synchronbetrieb der Synchronismus verlorengehen kann, woraufhin der Läufer stoppen oder es in einigen Fällen auch zu einem Anlaufen in umgekehrter, der gewünschten Drehrichtung entgegengesetzter Drehrichtung kommen kann. Ein weiterer Nachteil liegt in dem verhältnismäßig hohen (mechanischen) Schwingungspegel während des Synchronbetriebes. Die Verwirklichung der genannten Technik kann sehr aufwendig sein, insbesondere wenn das Verfahren zur Bestimmung des Zeitpunkts und der Bedingungen für den Übergang vom Synchronbetrieb zum selbstgeregelten Betrieb auf der Überwachung der Phase zwischen dem intern erzeugten Synchronsignal und den vom Positionssensor mittels der induzierten Spannungen abgegebenen Signalen beruht. Diese bekannte Technik findet unter Zuhilfenahme eines Mikroprozessors Anwendung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Schaltung zur Regelung eines bürstenlosen Gleichstrommotors vorzuschlagen, bei der auch unter Schwerlastbedingungen ein einwandfreies und schwingungsfreies Anlassen des Motors möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

a) Es wird ein Strom mit bis zu einem vorbestimmten Grenzwert ansteigender Stromstärke in einem bestimmten Wicklungssatz des Ständers eingespeist, wodurch der Läufer in eine bestimmte Position gesetzt wird. Dieser Verfahrensschritt ist der erste Schritt zum Anlassen der elektrischen Maschine und erstreckt sich über eine bestimmte Zeitdauer.
b) Der Strom wird sodann, unter Beibehaltung der im vorangegangenen Verfahrensschritt erreichten Stromstärke, auf einen anderen Wicklungssatz des Ständers aufgeschaltet, wodurch der Läufer in eine andere Relativlage zum Ständer übergeht, was einem Wicklungsschritt in der gewünschten Drehrichtung des Läufers entspricht. Dieser Verfahrensschritt ist der zweite Abschnitt des Anlaßvorgangs und erstreckt sich wiederum über eine bestimmte Zeitdauer.
c) Hiernach erfolgt als nächster Schritt der Übergang in den selbstgeregelten Betrieb, wobei eine Überwachung der Läuferposition mittels induzierter Spannungen durch einen Sensor vorgenommen wird.
d) Sobald die Motordrehzahl einen vorbestimmten Minimalwert überschreitet, erfolgt selbstgeregelter Betrieb. Dieser Verfahrensschritt erstreckt sich über eine unbestimmte zeitliche Länge und entspricht der Dauer des (normalen) Motorbetriebs.
e) Sollte die Motordrehzahl den unteren Grenzwert (Minimalwert) unterschreiten, wird die Stromversorgung des elektrischen Motors für einen bestimmten Zeitabschnitt unterbrochen, nach dessen Beendigung der Regelungszyklus von neuem beginnt.

Die obengenannte Aufgabe wird ferner bei einer elektronischen Regelschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Bauteile und deren Beschaltung gelöst: durch eine Logikschaltung oder Digitalspeichereinheit, durch Verzögerungsglieder, die in Reihe geschaltet sind und deren erstes von einem durch die Logikschaltung bereitgestellten Logiksignal getriggert wird und mit seinem Ausgang sowohl an einem der Eingänge der Logikschaltung wie auch an den Eingang des nächsten Verzögerungsgliedes (und auf diese Weise fortlaufend) angeschlossen ist, ferner durch eine mittels des Logiksignals getriggerte Schaltung zur Steuerung der Maschinenstromversorgung, durch eine Detektierschaltung zum Detektieren der unteren Drehzahlgrenze des Gleichstrommotors, durch eine Frequenz-Spannungs-Umformerschaltung, durch eine Komparatorschaltung mit einer Hysterese zur Steuerung des dem Gleichstrommotor zugeführten Stromes, und durch einen Regelkreis, der ein der Maschinen-Ist-Drehzahl entsprechendes Analogsignal und ein der Maschinen-Soll-Drehzahl entsprechendes, extern erzeugtes Bezugssignal erhält und ein Analogsignal abgibt, das dem in den Gleichstrommotor einzuspeisenden Strom entspricht.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß mit diesem Verfahren und dieser Regelschaltung die Möglichkeit geschaffen wird, den Anlaßvorgang einer beispielsweise im Motorbetrieb arbeitenden elektrischen Maschine von Zeit zu Zeit zu wiederholen, sogar wenn die an den Elektromotor angeschlossene Last die Anlaßleistung des Motors übersteigt oder die Überlast eine Drehung des Läufers stoppt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist auch darin zu sehen, daß ein Anlassen des Elektromotors ohne weitere Sensoren zum Detektieren der Läuferposition bei Stillstand des Läufers möglich ist.

Mit der erfindungsgemäßen Regelschaltung wird ohne die Verwendung eines Mikroprozessors ein einfacher elektronischer Schaltkreis angegeben, der die weiter obengenannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sowie der Schaltung zur Regelung einer bürstenlosen elektrischen Maschine sind in den Unteransprüchen angegeben.

So ist beispielsweise zur zeitlichen Vorgabe für einzelne Verfahrensschritte vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Verfahrensschritte a), b) und c) eine vorbestimmte zeitliche Länge besitzen und entsprechend die erste, zweite und dritte Stufe des Anlaßvorganges umfassen, und daß der Verfahrensschritt d) eine unbestimmte zeitliche Länge aufweist und der Betriebsstufe des Elektromotors entspricht.

In vorteilhafter Weiterbildung der Regelschaltung ist vorgesehen, daß die Logikschaltung oder Speichereinheit die folgenden Eingangssignale (Adressen) bearbeitet: Logiksignale von der Sensorschaltung zum Detektieren der Läuferposition mittels induzierter Spannungen, Logiksignale von den Verzögerungsgliedern, Logiksignale von der Detektierschaltung, ein Logiksignal zur Steuerung der Schaltelemente des Wechselrichters und ein Logiksignal zur Gesamtsteuerung. Ferner gibt die Logikschaltung oder Speichereinheit die folgenden Ausgangssignale (Daten) ab: Logiksignale zur Einzelsteuerung jedes Schaltelementes des Wechselrichters, das Logiksignal zur Triggerung der Verzögerungsglieder und zur stufenweisen Steuerung des Maschinenstromes, und ein Logiksignal mit einer zur Maschinendrehzahl proportionalen Frequenz.

Zur Bestimmung der einzelnen Zeitabschnitte des Verfahrens wird vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Zeitzählung bei jeder Änderung des Logikpegels am Eingang der Verzögerungsglieder getriggert wird.

Von Vorteil ist es auch, wenn die Schaltung den Speisestrom für die elektrische Maschine in der ersten Phase des Anlassens stufenweise ansteigend steuert, und ferner, wenn das Ausgangssignal der Schaltung zur Steuerung der Stromeinspeisung in die elektrische Maschine den maximalen Spannungsgrenzwert steuert, der dem in die Maschine einzuspeisenden Strom entspricht.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß die Detektierschaltung zum Detektieren der unteren Drehzahlgrenze der elektrischen Maschine ein Logiksignal abgibt, das aus dem Vergleich zwischen einem analogen Spannungswert, welcher der jeweiligen Momentangeschwindigkeit der elektrischen Maschine entspricht, und einem Spannungswert aus einem Spannungsteiler, der einstellbar ist und der für den Betrieb der elektrischen Maschine noch zulässigen Minimaldrehzahl entspricht, resultiert, und ferner, daß der Frequenz-Spannungs-Umformer ein von der Logikschaltung abgegebenes Logiksignal erhält und ein der momentanen (Ist-)Drehzahl entsprechendes Analogsignal erzeugt.

Eine andere vorzugsweise Weiterbildung sieht vor, daß die Komparatorschaltung, die mit einer Hysterese zur Steuerung des in der Gleichstrommaschine eingespeisten Stromes ausgestattet ist, aus dem Vergleich zwischen dem dem momentanen (Ist-)Strom in der elektrischen Maschine entsprechenden Analogsignal und dem Analogsignal, das dem der elektrischen Maschine einzuspeisenden (Soll-)Strom entspricht, ein Logiksignal erzeugt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des in der Regelschaltung zur Anwendung kommenden Regelkreises sieht eine PID-Schaltung vor, mit der die bekannten Vorteile (Schnelligkeit usw.) erzielt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung umfaßt schließlich auch ein Verfahren zur Regelung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der Ständerwicklungen und einen Permanentmagnetläufer aufweist, bei dem die Läuferposition mittels induzierter Spannung detektiert wird und der mittels einer elektronischen Regelschaltung betrieben wird, die folgende Bauteile aufweist: einen Wechselrichter, der einen Strom in die Ständerwicklungen einspeist, eine Sensorschaltung zum Detektieren der relativen Position zwischen Ständer und Läufer mittels induzierter Spannungen, und eine Steuerschaltung, die Daten über den vom Wechselrichter in die Ständerwicklungen eingespeisten Strom, Daten über die Läuferposition sowie Daten über die Bezugsdrehzahl bearbeitet und Steuersignale an Schaltelemente des Wechselrichters abgibt, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: es wird ein Strom mit bis zu einem vorbestimmten Grenzwert ansteigender Stromstärke in einem bestimmten Wicklungssatz des Ständers eingespeist, wodurch der Läufer in eine bestimmte Position gesetzt wird; der Strom wird unter Beibehaltung der im vorangegangenen Verfahrensschritt erreichten Stromstärke, auf einen anderen Wicklungssatz des Ständers aufgeschaltet, wodurch der Läufer eine andere relative Position zum Ständer einnimmt, was einen Wicklungsschritt in die gewünschte Drehrichtung des Läufers entspricht, Übergang in den selbstgeregelten Betrieb, dabei Überwachung der Läuferposition mittels induzierter Spannungen durch einen Sensor; sobald die Motordrehzahl einen vorbestimmten Minimalwert überschreitet, erfolgt selbstgeregelter Betrieb; sollte die Motordrehzahl den Minimalwert (unteren Grenzwert) unterschreiten, dann wird die Stromversorgung der elektrischen Maschine für einen bestimmten Zeitraum unterbrochen, nach dessen Beendigung der Regelzyklus von neuem begonnen wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im Prinzip im Rahmen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Regelschaltung;

Fig. 2A ein Schaltbild des Wechselrichters;

Fig. 2B ein Schaltdigramm der Maschinenströme;

Fig. 3 ein Schaltbild der Steuerschaltung;

Fig. 3A ein Schaltbild eines Verzögerungsgliedes;

Fig. 4 ein Zeitdiagramm für die einzelnen Steuer- bzw. Verfahrensschritte, und

Fig. 5 eine Tabelle der Eingangssignale (Adressen) sowie der Ausgangssignale (Daten) der Logikschaltung bzw. der Speichereinheit.

Zunächst wird auf Fig. 2 Bezug genommen, die einen Wechselrichter 10 zeigt, der mittels dreier Phasen Φ 1, Φ 2, Φ 3 Ströme I₁, I₂, I₃ in einen bürstenlosen Elektromotor 20 einspeist.

Die Spannungen der Phasen Φ 1, Φ 2, Φ 3 liegen auch an einer Sensorschaltung 30 an. Die Klemme 11 einer Spannungsquelle 40 mit negativem (Bezugs-)Potential für alle Schaltungsteile ist ebenfalls mit der Sensorschaltung 30 verbunden.

Mittels der Ausgangsdaten P₁, P₂ und P₃ gibt die Sensorschaltung 30 drei Logiksignale, die der relativen Position zwischen Ständer und Läufer des Elektromotors entsprechen, an eine Steuerschaltung 45 ab.

Als Funktion der durch ein Spannungssignal am Eingang I _m der Steuerschaltung 45 reräsentierten Daten über die Läuferposition und den vom Elektromotor aufgenommenen Strom sowie als Funktion der durch ein Spannungssignal am Eingang W _ref der Steuerschaltung 45 repräsentierten Daten über die Bezugsdrehzahl gibt die Steuerschaltung 45 logische Steuersignale über Ausgänge S₁ bis S₆ an Schaltelemente T₁ bis T₆ des Wechselrichters 10 ab.

Wie aus Fig. 2A in Verbindung mit Fig. 2B ersichtlich ist, steuert der Wechselrichter 10, der aus sechs durch Signale S₁ bis S₆ gesteuerten elektronischen Schaltelementen T₁ bis T₆ sowie aus sechs Dioden D₁ bis D₆ besteht, die Ströme I₁, I₂ und I₃ (Fig. 2), die über die Phasen Φ 1, Φ 2, Φ 3 an den Elektromotor 20 in der aus dem Zeitdiagramm der Fig. 2B ersichtlichen Reihenfolge abgegeben werden.

Wie aus Fig. 1 entnehmbar ist, besteht das Verfahren zum Anlassen und zum Betrieb eines Gleichstrommotors aus einem ersten Anlaß-Verfahrensschritt, bei dem einem bestimmten Wicklungssatz Strom eingespeist wird, dessen Stromstärke allmählich von einem Wert Null bis zu einem dem maximalen Drehmoment des Elektromotors entsprechenden Wert ansteigt, wodurch der Läufer mittels einer sanften Bewegung und daher unter Vermeidung von Schwingungen oder Vibrationen aus seiner unbekannten Ruheposition in eine bestimmte Position 1 verdreht wird, die in Fig. 2B dargestellt ist. Dieser Verfahrensschritt erstreckt sich über eine bestimmte zeitliche Länge t₁.

Im zweiten Anlaß-Verfahrensschritt wird der Strom in einen anderen Wicklungssatz eingespeist, wobei die in Fig. 2B dargestellte Position 2 dem winkelmäßigen Fortschreiten im Ständerfeld um einen Wicklungsschritt in die gewünschte Drehrichtung entspricht.

Auf diese Weise wird der Läufer mit einer maximalen Beschleunigung in der gewünschten Drehrichtung in Drehbewegung versetzt. Die zeitliche Dauer dieses Verfahrensschritts entspricht einer bestimmten, in Fig. 1 angegebenen Zeitdauer t₂. Diese Zeitdauer muß in etwa der Dauer der Zeit entsprechen, die der Läufer benötigt, um von Position 1 in die Position 2 zu drehen.

Am Ende der Zeitspanne t₂, wenn der Läufer die Position 2 erreicht hat, wird die Drehzahl des Läufers bereits ausreichend groß sein, damit die Sensorschaltung 30 (Fig. 2), die der Detektion der Läuferposition dient, die richtige Läuferposition anzeigen kann.

Der dritte Anlaß-Verfahrensschritt (Fig. 1) besteht schließlich darin, den Ständerwicklungen 1, 2, 3 des Elektromotors 20 in Abhängigkeit von der durch die Sensorschaltung 30 mittels induzierter Spannungen ermittelten Läuferposition und entsprechend der im Zeitdiagramm der Fig. 2B angegebenen Reihenfolge Strom einzuspeisen. Damit beginnt der selbstgeregelte Betrieb des Motors.

Dieser dritte Verfahrensabschnitt (vgl. Fig. 1), in dem der selbstgeregelte Betrieb unbedingt erreicht wird, erstreckt sich über eine bestimmte zeitliche Dauer t₃, während der die Motordrehzahl ansteigt, sofern der Anlaßvorgang erfolgreich ist. Sollte allerdings die Welle des Elektromotors blockiert oder mit einer zu großen Last beaufschlagt sein, wird der Läufer in die Ruheposition zurückkehren.

Der vierte Verfahrensabschnitt (Fig. 1) besteht in einer Fortsetzung des selbstgeregelten Betriebs in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, deren Wert über einem bestimmten unteren bzw. Minimalgrenzwert liegt (Rot < R _min). Wenn der Anlaßvorgang erfolgreich war, läuft der Elektromotor unter gleichbleibenden Betriebsbedingungen im Normalbetrieb, von dem er dann abweicht, wenn eine Überlast die Drehzahl unter den vorgegebenen unteren Grenzwert absinken läßt. Sollte der Anlaßvorgang aufgrund mechanischer Blockierung des Läufers oder einer Überlast erfolglos verlaufen oder die Motordrehzahl während des Normalbetriebs unter den unteren Grenzwert absinken, beginnt der fünfte Verfahrensschritt.

In diesem fünften Verfahrensschritt (Fig. 1) sind alle Schaltelemente T₁ bis T₆ offen, so daß die Stromversorgung für die Ständerwicklungen unterbrochen ist. Dieser Zustand wird bis zum Ablauf einer Zeitspanne t₄ beibehalten.

Diese Zeitspanne t₄ kann je nach Gegebenheit variieren und ihre Aufgabe besteht darin, zum Start eines erneuten Anlaßvorgangs den völligen Stillstand des Läufers oder eine Abnahme der Überlast, die den Läufer des Elektromotors zum Stoppen veranlaßt hat, abzuwarten.

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild der Steuerschaltung 45 als Anlaß- und Betriebsschaltung, die eine Kombinationslogikschaltung oder Digitalspeichereinheit 50 enthält, welche ein ROM- oder EPROM-Speicher sein kann, in dem ein z. B. in der Tabelle der Fig. 5 dargestellter Datensatz gespeichert ist.

Zu Beginn eines Betriebszyklusses des Elektromotors, wenn der Eingang 60 (Fig. 3) der Speichereinheit 50 auf den Logikpegel Null gesetzt wird, enthalten alle Ausgänge S₁ bis S₆ den Logikpegel Null. Die Ausgangssignale S₁ bis S₆ steuern jeweils die Schaltelemente T₁ bis T₆ und der Logikpegel Null der Ausgangssignale entspricht dem geöffneten Zustand der Schaltelemente.

In diesem durch die erste Zeile der Tabelle in Fig. 5 dargestellten Zustand sind die Schaltelemente geöffnet, ungeachtet des Zustands der anderen Eingänge der Speichereinheit 50. Ferner liegt der Ausgang S₈ der Speichereinheit 50 in diesem Zustand auf dem Logikpegel Null, ebenso die Ausgänge P _x bzw. P _y bzw. P _z jedes Verzögerungsgliedes 70 bzw. 80 bzw. 90. Ferner ist in diesem Zustand das Schaltelement 141 der Schaltung 140 (Fig. 3) geschlossen, wodurch der Spannungspegel am Ausgang I _ref sehr nahe bei Null liegt und auch an der Bezugsklemme 11 anliegt.

Wenn die Eingangsklemme 60 für die Generalsteuerung auf den Logikpegel 1 gesetzt wird, beginnt der Verfahrensschritt 1 für das Anlassen, was den Logikzuständen der Zeilen 2 und 3 der Tabelle nach Fig. 5 entspricht. In dem durch die Zeile 2 dargestellten Zustand enthalten die Ausgänge S₁ und S₅ ebenfalls den Logikpegel 1, was bedeutet, daß die Schaltelemente T₁ und T₅ des Wechselrichters 10 (Fig. 2) geschlossen sind und somit Strom in die Wicklungen 1 und 2 des Elektromotors 20 eingespeist wird, worauf der Läufer in Position 1 gesetzt wird (Fig. 2B). In dieser wie in jeder anderen Lage erfolgt die Steuerung des Motorstroms durch Öffnen oder Schließen des Wechselrichter-Schaltelementpaares, das in dieser Lage gerade angewählt ist. Diese Generalsteuerung der Schaltelemente erfolgt durch ein am Eingang E₉ der Speichereinheit 50 präsentes Logiksignal eines mit einer Hysterese ausgetatteten Spannungskomparators 100 (Fig. 3 und Fig. 5). Dieser Komparator 100 vergleicht die Spannung an der Klemme I _m, die einem momentanen (Ist-)Strom im Motor entspricht, mit der Spannung an der Klemme I _ref, die dem in den Motor einzuspeisenden (Soll-)Strom entspricht. Das Ausgangssignal S₈ der Speichereinheit 50 nimmt in dieser Lage den Logikpegel 1 ein, wodurch das zeitzählende Verzögerungsglied 70 getriggert wird, und das Ausgangssignal S₈ öffnet gleichzeitig das Schaltelement 141 der Schaltung 140, wodurch die Spannung an der Klemme I _ref allmählich auf die Spannung V _z eines Begrenzers 142 ansteigt, mit dem Ergebnis eines allmählichen Anstiegs des Motorstroms während des ersten Anlaßabschnitts, wie dies im Zeitdiagramm der Fig. 4 dargestellt ist zu dem Zeitpunkt, an dem der Logikpegel am Ausgang P _x des die Zeitspanne t₁ bestimmenden Verzögerungsgliedes 70 den Wert 1 annimmt (Eingang P _x der Speichereinheit 50), ist der Zustand so, wie er in den Zeilen 4 und 5 der Tabelle aus Fig. 3 dargestellt ist, wenn die Schaltelemente T₁ und T₆ so geschaltet sind, daß ihre Schaltstellung der Position 2 (Fig. 2B) entspricht. Das ist der zweite Abschnitt des Anlassens. Der Logikpegel 1 am Eingang des Verzögerungsgliedes 80, das den Zeitabschnitt t₂ bestimmt, triggert die Zeitzählung dieses Verzögerungsgliedes. Nach Ablauf des Zeitabschnitts t₂ hat der Läufer die Position 2 erreicht (Fig. 2, 3 und 4) und wird sich bereits in der gewünschten Richtung drehen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Ausgang des Verzögerungsgliedes 80 den Logikpegel 1 einnehmen (Eingang P _y der Speichereinheit 50) und der dritte Abschnitt des Anlassens (Fig. 1 und Fig. 4) entsprechend irgendeiner der Zeilen 6 bis 17 in der Tabelle aus Fig. 5 beginnt.

Der Logikpegel 1 am Ausgang des Verzögerungsgliedes 80 triggert die Zeitzählung des Verzögerungsgliedes 90 (Fig. 4), das die Zeitspanne t₃ bestimmt.

In diesem Verfahrensabschnitt bestimmt sich das anzusprechende Schaltelementpaar als eine Funktion der Daten über die Läuferposition, die in dem von der Sensorschaltung 30 (Fig. 2) über die Ausgänge (P₁, P₂ und P₃) abgegebenen Logiksignal enthalten sind. Der Elektromotor nimmt unter der Betriebsbedingung einer Beschleunigung den selbstgeregelten Zustand ein, bis der Läufer diejenige Drehzahl erreicht, die durch die Spannung am Eingang W _ref bestimmt wird. In diesem Betriebszustand wird, wenn sich der Läufer dreht, die Reihenfolge des Zeitdiagramms gemäß Fig. 2B erfüllt, die der Folge der Zeilen 6 bis 11 oder 12 bis 17 der Tabelle aus Fig. 5 entspricht. Wenn diese Reihenfolge eingehalten wird, enthält der Ausgang S₇ der Speichereinheit 50 (Fig. 2B) ein Logiksignal mit einer zur Läuferdrehzahl proportionalen Frequenz, die durch den Frequenz-Spannungs-Umwandler 120 in einen entsprechenden Spannungspegel umgewandelt wird, der an der Ausgangsklemme W _a des Umwandlers 120 anliegt (Fig. 3). Der Vergleich dieser Spannung mit der Spannung, die durch den Spannungsteiler 160 an der Ausgangsklemme W _min erzeugt wird und der minimalen Grenzdrehzahl des Läufers für den Betrieb des Motors entspricht, führt zu einem Logiksignal am Ausgang des Komparators 110, das von der Ausgangsklemme E₂ an die Speichereinheit 50 abgegeben wird. Der Logikpegel an der Ausgangsklemme E₂ gibt an, ob der Läufer mit einer Drehzahl oberhalb oder unterhalb des unteren Grenzwertes, wie sie durch die entsprechende Spannung an der Klemme W _min vorgegeben wird, rotiert.

Der vierte Verfahrensabschnitt beginnt, wenn nach Ablauf der Zeitspanne t₃ das Verzögerungsglied 90 (Fig. 3), das zu Beginn des dritten Abschnitts getriggert wurde, an seinem Ausgang P _z den Logikpegel 1 annimmt. Der vierte Verfahrensabschnitt (Fig. 4) entspricht den Zeilen 18 und 29 in der Tabelle aus Fig. 5.

Dieser vierte Verfahrensabschnitt unterscheidet sich vom vorhergegangenen dritten Verfahrensabschnitt dadurch, daß die Dauer des vierten Abschnitts davon abhängt, daß die momentane (Ist-)Drehzahl des Läufers oberhalb des unteren Drehzahl-Grenzwertes liegt, wie er durch die Spannung an der Klemme W _min vorgegeben wird. Unter gleichbleibenden Bedingungen wird der Motor in diesem Verfahrensabschnitt für eine unbestimmte Zeit unter Abfolge der Steuersequenz der Schaltelemente des Wechselrichters als Funktion der Daten über die Läuferposition, die von der Sensorschaltung 30 bereitgestellt werden, arbeiten.

In diesem Verfahrensabschnitt wird der Ausgang S₈ (Fig. 3) der Speichereinheit 50 auf dem Logikpegel 1 gehalten, wodurch der Schalter 141 offen und die Ausgänge P _x, P_y und P _z der Verzögerungsglieder 70, 80 und 90 auf dem Logikpegel 1 gehalten werden. Die Drehzahlregelung unter gleichbleibenden Betriebsbedingungen als Funktion der Laständerung wird durch eine PID-Regelschaltung 130 ausgeführt, die in Abhängigkeit von der Spannung an der Klemme W _a (momentane Drehzahl) und der Spannung an der Klemme W _ref (Soll-Drehzahl) ein Spannungssignal am Ausgang 1 erzeugt, das proportional zu dem in den Motor einzuspeisenden Strom ist. Jede Lastzunahme wird durch eine entsprechende proportionale Zunahme des Stroms ausgeglichen und hält somit die Drehzahl auf einem bestimmten Wert.

Der fünfte Verfahrensschritt beschreibt einen Zustand, bei dem zu irgendeiner Zeit die Momentandrehzahl unter den vorbestimmten unteren Grenzwert absinkt, woraufhin der Logikpegel am Ausgang E₂ des Komparators 110 den Wert 1 annimmt. Dieser Zustand entspricht der Zeile 30 in der Tabelle nach Fig. 5. Während dieses Verfahrensabschnitts haben alle Ausgänge S₁ bis S₆ den Wert Null, wodurch alle Schaltelemente T₁ bis T₆ (Fig. 2) des Wechselrichters 19 offengehalten werden und somit die Stromzufuhr in die Wicklungen des Motors unterbrochen wird. Ferner liegt der Logikpegel des Ausgangs S₈ der Speichereinheit 50 in diesem Verfahrensabschnitt auf Null, wodurch das Schaltelement 141 (Fig. 3) geschlossen und ferner eine neue Folge von Triggerungen der Verzögerungsglieder 70, 80, 90 gestartet wird, wie dies im Zeitdiagramm der Fig. 4 dargestellt ist.

Immer dann, wenn der Logikpegel am Ausgang P _z des Verzögerungsgliedes 90 den Wert 1 annimmt, wird der fünfte Verfahrensabschnitt eingenommen bzw. beibehalten.

Wenn der Ausgang P _z des Verzögerungsgliedes 90 den Logikpegel Null annimmt, wird nach Ablauf einer Zeitspanne t₄ (Fig. 4) der erste Verfahrensabschnitt (Fig. 1) wieder erreicht und ein neuer Anlaßvorgang beginnt. Die Zeitspanne t₄ (Fig. 4) wird ab Beginn des fünften Verfahrensabschnitts erfaßt und gezählt, wenn der Ausgang S₈ der Speichereinheit 50 (Fig. 3) den Logikpegel Null annimmt, und zwar bis zum Erreichen des Zeitpunkts, in dem alle Ausgänge P _x, P_y, P_z der Verzögerungsglieder 70, 80, 90 den Logikpegel Null annehmen. Die Zeitspanne t₄ ist nahezu gleich der Summe der Zeitspannen t₁, t₂ und t₃ (Fig. 4).

Claims

1. Verfahren zur Regelung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der Ständerwicklungen und einen Permanentmagnetläufer aufweist, dessen Läuferposition mittels induzierter Spannungen detektiert wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Es wird ein Strom mit bis zu einem vorbestimmten Grenzwert ansteigender Stromstärke in einem bestimmten Wicklungssatz des Ständers eingespeist, wodurch der Läufer in eine bestimmte Position gesetzt wird;
b) Der Strom wird, unter Beibehaltung der im vorangegangenen Verfahrensschritt erreichten Stromstärke, auf einen anderen Wicklungssatz des Ständers aufgeschaltet, wodurch der Läufer in eine andere relative Position zum Ständer übergeht, was einem Wicklungsschritt in die gewünschte Drehrichtung des Läufers entspricht;
c) Überleitung in den selbstgeregelten Betrieb, dabei Überwachung der Läuferposition mittels induzierter Spannungen durch einen Sensor;
d) Sobald die Motordrehzahl einen vorbestimmten Minimalwert überschreitet, erfolgt selbstgeregelter Betrieb, und
e) die Stromversorgung des Gleichstrommotors wird für einen bestimmten Zeitabschnitt unterbrochen, wenn die Motordrehzahl den Minimalwert (unteren Grenzwert) unterschreitet, und nach Beendigung dieses Zeitabschnitts beginnt der Regelungszyklus von neuem.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte a), b) und c) eine bestimmte zeitliche Länge aufweisen und den ersten, zweiten und dritten Verfahrensschritt des Anlassens der elektrischen Maschine beinhalten.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt d) eine unbestimmte zeitliche Länge aufweist und den Zeitabschnitt des Betriebs der elektrischen Maschine umfaßt.

4. Elektronische Regelschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der Ständerwicklungen und einen Permanentmagnetläufer aufweist und bei dem die Läuferposition mittels induzierter Spannungen detektierbar ist, mit einem Wechselrichter, der einen Strom in die Ständerwicklungen einspeist, mit einer Sensorschaltung zum Detektieren der relativen Position zwischen Ständer und Läufer mittels induzierter Spannungen, und mit einer Steuerschaltung, die Daten über den vom Wechselrichter in die Ständerwicklungen eingespeisten Strom, Daten über die Läuferposition sowie Daten über die Bezugsdrehzahl bearbeitet und Steuersignale an Schaltelemente des Wechselrichters abgibt, gekennzeichnet durch:

a) Eine Logikschaltung oder Digitalspeichereinheit (50);
b) Verzögerungsglieder (70, 80, 90), die in Reihe geschaltet sind und deren erstes (70) von einem durch die Logikschaltung (50) bereitgestellten Logiksignal (S₈) getriggert wird und mit seinem Ausgang (P _x) sowohl an einen der Eingänge der Logikschaltung (50) wie auch an den Eingang des nächsten Verzögerungsgliedes (80) (und auf diese Weise fortlaufend) angeschlossen ist;
c) Eine mittels des Logiksignals (S₈) getriggerte Schaltung (140) zur Steuerung der Maschinenstromversorgung;
d) Eine Detektierschaltung (110) zum Detektieren der unteren Drehzahlgrenze der elektrischen Maschine (10);
e) Eine Frequenz-Spannungs-Umformerschaltung (120);
f) Eine Komparatorschaltung (100) mit einer Hysterese zur Steuerung des dem Gleichstrommotor zugeführten Stromes, und durch
g) einen Regelkreis (130), der ein der Maschinen-Ist-Drehzahl entsprechendes Analogsignal (W _a) und ein der Maschinen-Soll-Drehzahl entsprechendes, extern erzeugtes Bezugssignal (W _ref) erhält und ein Analogsignal (I) abgibt, das dem in die elektrische Maschine einzuspeisenden Strom entspricht.

5. Regelschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung oder Speichereinheit (50)

5.1 die folgenden Eingangssignale (Adressen) bearbeitet:
5.1.1 Logiksignale (P₁, P₂, P₃) von der Sensorschaltung (30) zum Detektieren der Läuferposition mittels induzierter Spannungen;
5.1.2 Logiksignale (P _x, P_y, P_z) von den Verzögerungsgliedern (70, 80, 90);
5.1.3 ein Logiksignal (E₂) von der Detektierschaltung (110);
5.1.4 ein Logiksignal (E₉) zur Steuerung der Schaltelemente (T₁ bis T₆);
5.1.5 ein Logiksignal (E₁) zur allgemeinen Steuerung, und
5.2 die folgenden Ausgangssignale (Daten) abgibt:
5.2.1 Logiksignale (S₁ bis S₆) zur Einzelsteuerung jedes Schaltelementes (T₁ bis T₆) des Wechselrichters (10);
5.2.2 das Logiksignal (S₈) zur Triggerung der Verzögerungsglieder (70, 80, 90) und zur stufenweisen Steuerung des Maschinenstromes, und
5.2.3 ein Logiksignal (S₇) mit einer zur Maschinendrehzahl proportionalen Frequenz.

6. Regelschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitzählung bei jeder Änderung des Logikpegels am Eingang der Verzögerungsglieder (70, 80, 90) getriggert wird.

7. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (140) den Speisestrom für den Gleichstrommotor in der ersten Phase des Anlassens stufenweise ansteigend steuert.

8. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Schaltung (140) zur Steuerung der Stromeinspeisung in den Gleichstrommotor den maximalen Spannungsgrenzwert steuert, der dem in den Motor einzuspeisenden Strom entspricht.

9. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektierschaltung (110) zum Detektieren der unteren Drehzahlgrenze des Gleichstrommotors (20) ein Logiksignal (E₂) abgibt, das aus dem Vergleich zwischen einem analogen Spannungswert (W _a), welcher der jeweiligen Momentangeschwindigkeit des Elektromotors entspricht, und einem Spannungswert (W _min), welcher der für den Betrieb des Elektromotors zulässigen Minimaldrehzahl entspricht, resultiert.

10. Regelschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz-Spannungs-Umformerschaltung (120) ein von der Logikschaltung (50) abgegebenes Logiksignal (S₇) erhält und ein der momentanen (Ist-)Drehzahl entsprechendes Analogsignal (W _a) erzeugt.

11. Regelschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorschaltung (100), die mit einer Hysterese zur Steuerung des der elektrischen Maschine eingespeisten Stroms ausgestattet ist, aus einem Vergleich zwischen dem dem momentanen (Ist-)Strom im Elektromotor entsprechenden Analogsignal (I _m) und dem Analogsignal (I _ref), das dem dem Elektromotor einzuspeisenden (Soll-)Strom entspricht, ein Logiksignal (E₉) erzeugt.

12. Regelschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis (130) eine PID-Schaltung enthält.

13. Verfahren zur Regelung einer bürstenlosen elektrischen Maschine, die Ständerwicklungen und einen Permanentmagnetläufer aufweist, bei der die Läuferposition mittels induzierter Spannungen detektiert wird, die mittels einer elektronischen Regelschaltung betrieben wird und die folgende Bauteile aufweist:
einen Wechselrichter (10), der einen Strom (I₁, I₂, I₃) in die Ständerwicklungen (1, 2, 3) einspeist, eine Sensorschaltung (30) zum Detektieren der relativen Position zwischen Ständer und Läufer mittels induzierter Spannungen, und eine Steuerschaltung (45), die Daten über den vom Wechselrichter (10) in die Ständerwicklungen eingespeisten Strom (I₁, I₂, I₃), Daten (P₁, P₂, P₃) über die Läuferposition sowie Daten über die Bezugsdrehzahl (W _ref) bearbeitet und Steuersignale (S₁-S₆) an Schaltelemente (T₁-T₆) des Wechselrichters (10) abgibt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) es wird ein Strom mit zu einem vorbestimmten Grenzwert ansteigender Stromstärke in einem bestimmten Wicklungssatz des Ständers eingespeist, wodurch der Läufer in eine bestimmte Position gesetzt wird;
b) der Strom wird unter Beibehaltung der im vorangegangenen Verfahrensschritt erreichten Stromstärke auf einen anderen Wicklungssatz des Ständers aufgeschaltet, wodurch der Läufer in eine andere relative Position zum Ständer übergeht, was einem Wicklungsschritt in die gewünschte Drehrichtung des Läufers entspricht;
c) Überleitung in den selbstgeregelten Betrieb, dabei Überwachung der Läuferposition mittels induzierter Spannungen durch einen Sensor;
d) sobald die Motordrehzahl einen vorbestimmten Minimalwert überschreitet, erfolgt selbstgeregelter Betrieb, und
e) Unterbrechung der Stromversorgung der elektrischen Maschine für einen bestimmten Zeitabschnitt, falls die Motordrehzahl den Minimalwert (unteren Grenzwert) unterschreitet, und anschließend erneuter Beginn des Regelzyklusses.